利用磁场调制进行磁共振层析成像的方法和装置与流程

1.本发明涉及一种用于对所研究物体
‑
例如，生物有机体，如病人或受试者，或其一部分
‑
进行磁共振层析成像(mrt)的方法和装置。本发明可用于例如医学成像或材料研究领域。


背景技术：

2.在本说明书中，参考下列现有技术说明本发明的技术背景和相关技术：
3.【1】保罗劳特布尔(p.c.lauterbur)“自然(nature)”242,190
‑
191(1973)；
4.【2】p.曼斯菲尔德等人“物理学杂志.c辑，固体物理学”1973；6，l422
‑
l426；
5.【3】s.永格伦(s.ljunggren)“磁共振杂志(j.magn.reson.)”1983；54:338
‑
343；
6.【4】d.b.特威格(d.b.twieg)“医学物理学(med.phys.)”1983；10:610
‑
621；
7.【5】w.a.埃德尔斯坦(w.a.edelstein)等人“医学与生物学中的物理学(phys.med.biol.)”25,751
‑
756；
8.【6】k.p.普鲁斯曼(k.p.pruessmann)等人“医学磁共振(magn.reson.med.)”1999；42:952
‑
962；
9.【7】m.a.格里斯沃尔德(m.a.griswold)等人“医学磁共振(magn.reson.med.)”2002；47:1202
‑
1210；
10.【8】j.亨尼格(j.hennig)等人“物理学、生物学和医学中的磁共振材料(magn.reson.mater.phy.)”2008；21:5
‑
14；
11.【9】us 7 411 395；
12.【10】us 6 255 821；及
13.【11】us 2011/0080169 a1。
14.众所周知,磁共振层析成像是一种从空间扩展的样本(所研究物体)中检测空间分辨磁共振信号的成像方法。如果样品放置在均匀场中，则射频接收线圈检测来自样品内的所有信号的总和。没有可用的空间分辨信息。空间分辨成像的原理通常基于沿x、y和z轴独立施加的多个附加线性磁场梯度的应用(【1】、【2】)。在这些梯度下，磁化强度的局部拉莫尔频率与其空间位置成线性相关。来自不同位置的信号可以通过其本振频率来识别。通常使用傅里叶变换将这些频率转换到空间域中，即生成一维、二维或三维图像。
15.使用这些线形梯度，物体的空间构成是在频率空间或k空间中获得的，这是物体空间的傅立叶变换(【3】、【4】)。通常k
‑
空间是在几个连续的步骤中获得的。最常用的方法是自旋翘曲技术，其中使用一维或二维相位编码梯度以及读出梯度逐行扫描k空间(【5】)。然而，逐行扫描是一个耗时的过程。根据连续行扫描之间的重复时间(tr)，即大约5毫秒到10秒，以及所需的分辨率和其他参数，获取二维或三维图像需要大约100毫秒到几分钟。
16.磁共振层析成像中的成像速度至关重要，特别是在临床应用中，例如捕捉心脏跳动或测量血流动力学。因此，有人提出了几种加快磁共振成像过程的方法。最成功且最重要的方法是并行成像，其使医学磁共振成像发生了革命性的变化，如今任何商业磁共振扫描
仪都可以实现这种方法。并行成像是基于这样一个概念：用一组几个小的射频接收线圈代替单个射频接收线圈(采集线圈内所有磁化强度的总和)。这些小的射频线圈只检测该物体的一小部分。因此，这些小线圈的局部灵敏度曲线本质上提供了磁化强度源点的空间信息。在并行成像中，通过将线性梯度产生的空间信息与来自局部接收线圈的空间信息相结合，使用该局部线圈灵敏度信息将成像过程加快2到20倍([6]、[7])。
[0017]
切换强线性梯度可能会尤其在医学磁共振层析成像时产生问题，因为改变磁场可影响样品成像。为了避免这一限制，在【8】到【11】中提出了一种并行成像技术(即所谓的patloc系统)，其使用局部梯度通过非单向、非双射空间编码磁场(nbsem场)对磁共振信号进行空间编码。通过布置梯度线圈进行局部空间编码，从而产生静态或准静态的磁场特性和不同的磁场特性。可临时改变磁场特性，但只能在时间尺度上切换成像梯度。尽管patloc系统在医学成像方面具有优势，但其也有一些局限性，例如，在应用非双射空间编码磁场的要求方面，需要进行复杂的场成形过程。


技术实现要素：

[0018]
本发明的目的是提供一种对所研究物体进行磁共振层析成像的改进方法，能够避免传统技术的局限性和缺点。特别地，该方法将能够通过加速采集磁共振信号来进行磁共振层析成像。本发明的另一个目的是提供一种改进的磁共振成像(mri)设备，能够避免传统技术的局限性和缺点。特别地，该磁共振成像设备将能够加速磁共振层析成像。此外，磁共振层析成像方法和磁共振成像设备所产生的磁共振信号具有改进的质量(例如，提高信噪比snr)和/或复杂性降低的局部梯度场。
[0019]
这些目的通过包含独立权利要求的特征的方法和/或设备予以实现。本发明的有利实施例和应用在从属权利要求中被限定。
[0020]
根据本发明的第一总体方面，通过对所研究物体进行磁共振层析成像的方法来实现上述目的，其中所述物体位于静磁场中并且经受至少一个射频脉冲，优选射频脉冲序列，并且同时经受多个磁场梯度。通过应用多个磁场梯度(磁共振信号的主要空间编码)来响应物体的至少一个射频脉冲的激励，进而产生空间编码的磁共振信号。采集磁共振信号(磁共振回波)，并通过磁共振信号重建物体图像，其中利用通过对磁共振信号进行空间编码而获取的空间信息。
[0021]
根据本发明，通过在采集磁共振信号的步骤中应用至少一个空间受限的时变磁性调制场来对磁共振信号进行局部特定的频率调制(共振频率调制)。所述至少一个时变磁性调制场具有与所述静磁场平行的分量。在磁共振回波采集过程中，主磁场(bo场)的空间调制通过所述磁性调制场进行，即在k空间的读出过程中进行空间调制。通过磁性调制场影响激发核的拉莫尔频率对磁共振信号进行局部特定的频率调制。所述至少一个时变磁性调制场在空间上局限于所述物体的一部分。因此，每个时变磁性调制场穿透所述物体的有限部分，该部分小于磁共振层析成像过程的整个视野，而物体的其余部分不受调制场影响。物体的其余部分经受至少一个另外的调制场，该调制场对物体的该至少一个另外的部分施加另一特定的频率调制，或者该物体的其余部分可以不经受调制场，从而对磁共振信号进行附加空间编码。有利地，不需要在经受不同调制场的部分之间进行明确的划分。与【8】中所公开的梯度切换相反，在采集磁共振回波期间，应用磁性调制场并提供磁共振信号的附加空
间编码，同时在短于磁共振回波采集时间的时间尺度上变化。
[0022]
此外，根据本发明，所述重建所述物体图像的步骤进一步包括通过空间编码的磁共振信号，特别是通过对空间编码的磁共振信号进行局部特定的频率调制获取附加空间图像信息。当局部特定的频率调制为周期振荡时，在频率调制频率处解调磁共振信号，以便将部分磁共振图像分配给所研究物体的相关限制部分。部分图像是通过对磁共振信号在傅里叶空间中的频率滤波得到的，在傅里叶空间中，每个磁共振信号通过调制频率相对于未调制信号进行特定的频移。随后，通过部分图像的叠加来提供要获得的磁共振图像。或者，可以通过数值回归程序进行解调。这些都可以采用周期调制进行，或者优选地，如果局部特定的频率调制具有非周期波形。在这两种情况下，部分图像是同时获得的，以便加速成像过程。
[0023]
根据本发明的第二总体方面，上述目的通过磁共振成像设备予以实现，所述磁共振成像设备包括磁共振扫描仪，磁共振扫描仪被配置用于容纳待成像的物体，产生静磁场、至少一个射频脉冲和多个磁场梯度，并采集磁共振信号。此外，所述磁共振成像设备包括被配置用于控制磁共振扫描仪的，例如由计算机电路实现的控制设备，以及被配置用于根据磁共振信号重建物体图像的，例如由相同或另一计算机电路实现的重建设备。
[0024]
根据本发明，所述磁共振扫描仪还被配置用于将静磁场与至少一个空间受限的时变磁性调制场叠加，其中该磁性调制场具有与静磁场平行的分量。因此，所述磁共振扫描仪适用于使磁共振信号经受局部特定的频率调制。磁共振扫描仪包括磁场调制源设备，用于产生磁性调制场。此外，根据本发明，所述控制设备被配置用于设置所述至少一个空间受限的时变磁性调制场。因此，所述控制设备适用于驱动磁共振扫描仪，特别是磁场调制源设备，以便在磁共振扫描仪采集磁共振信号的操作期间，将空间受限的时变磁性调制场叠加到静磁场上。此外，根据本发明，所述重建设备被配置用于通过利用所述局部特定的频率调制来重建所述物体图像，以从所述空间编码的磁共振信号中获取附加空间图像信息。优选地，本发明的磁共振成像设备适用于实施根据本发明上述第一总体方面所述的磁共振层析成像方法。
[0025]
本发明的主要优势是通过对所述空间编码的磁共振信号进行局部特定的频率调制获得空间图像信息，以及通过多个磁场梯度获得主要空间信息。因此，引入了一种新的并行成像技术，其可以加速磁共振成像和/或改进磁共振信号和重建质量。
[0026]
本发明以使用例如局部磁场线圈的磁场的局部变化为基础。这种方法在概念上不同于传统的并行成像方法，后者使用局部射频接收线圈，并具有空间受限的b1(射频磁场)分布。相反，在本发明中，使用磁场调制源设备，包括例如局部磁场线圈，其具有空间受限或空间变化的bo(主磁场)分布。
[0027]
根据本发明的优选实施例，所述至少一个空间受限、时变磁性调制场具有被选择为使得获得磁化强度局部拉莫尔频率的时间频率调制的调制频率。因此，在物体的每个受限空间部分中，局部采集磁共振信号，其在频率空间相对于未调制磁共振信号的射频范围偏移局部调制频率。在具有不同调制频率的不同空间部分采集磁共振信号，可以得到振幅相等但相位不同的图像。因此，所述物体的一组或多组虚拟图像通过在该组虚拟图像中引入局部受限的相位差产生。这些虚拟图像通过本振频率调制的磁场产生。在所述重建步骤中，这些局部相位变化被用作重建过程中的附加局部信息。
[0028]
特别优选地，所述至少一个空间受限的、时变磁性调制场包括至少一个调制频率为最低100hz和/或最高10mhz的频谱分量。有利地，该频率范围有助于通过磁共振信号解调空间图像信息。
[0029]
本发明的另一个独特优势是时变磁性调制场的可用波形范围大，该磁性调制场可以具有任意波形，包括具有单个频率和/或多个频率分量和/或甚至噪声分量的波形，尤其是在上述优选频率范围内的波形。如果所述至少一个空间受限的时变磁性调制场具有周期性振荡
‑
特别是正弦或三角形或矩形
‑
调制形状，则优势是可以处理上述虚拟图像。
[0030]
有利地，可以使用各种类型的被配置用于产生至少一个空间受限的磁场调制源设备，。根据第一变体，所述磁场调制源设备可包括至少一个局部磁场线圈，优选地，所述局部磁场线圈(线圈元件)被布置于所述物体附近。局部磁场线圈可以被布置在所述物体周围的参考面上，例如圆柱面上。有利地，这种磁场线圈本身是已知的。这种磁场线圈可用于产生多个局部磁场梯度，如[8]所述。通过适当配置所述控制设备，可以激励局部磁场线圈，从而产生本发明的时变磁性调制场。通常，局部磁场线圈并非由磁共振扫描仪中产生多个规则空间编码磁场梯度的梯度线圈提供的。
[0031]
根据第二变体，所述磁场调制源设备可以另外或选择性地包括匀场设备，所述匀场设备包括动态球面谐波匀场线圈，所述动态球面谐波匀场线圈被布置用于根据要获得的磁性调制场对物体中的磁场分布进行匀场。与传统的匀场线圈相反，根据本发明使用的驱动信号球面谐波匀场线圈是在磁共振信号采集期间被驱动的。
[0032]
另一个优势是，可以根据磁共振成像任务的要求来选择局部磁场线圈和/或匀场线圈的数量、形状和/或空间布置。局部磁场线圈和/或匀场线圈的布置可以互换，这样就可以使特定的磁共振扫描仪适应磁共振成像任务的要求。例如，如果要增加并行成像度，则增加线圈的数量。线圈的形状和/或空间布置可以适应所研究物体的形状。
[0033]
根据本发明的另一优选实施例，静磁场与位于物体不同空间部分中的至少两个、特别优选的至少8到30个和/或最多150个空间受限的时变磁性调制场叠加。有利地，这样加速了磁共振成像过程并改进了图像质量。在获取磁共振信号的步骤中包括的每个相位编码步骤获取磁共振信号期间，特别是在k空间中的每一行，可以改变时变磁性调制场的波形和/或频率(特别是振幅、频率、相位和/或调制形状)。磁性调制场的波形和/或频率可以另外或选择性地在所述物体的每个空间部分中变化。此外，所有时变磁性调制场可以相互独立控制。此外，可以向磁性调制场提供振幅调制正弦振荡，其中振幅调制为空间分辨图像重建提供了额外的自由度。根据又一个变体，磁性调制场的振幅和相位可以针对非笛卡尔采样模式进行优化。本发明的这些实施例可有利于磁共振图像重建，特别是在自旋翘曲成像中。
[0034]
经受不同空间受限的时变磁性调制场的物体的空间部分的数量和/或空间扩展可以是磁共振成像设备的预定操作参数。这些操作参数可以根据例如参考或校准测量和/或物体内部磁场分布的数值模拟来预设。或者，可根据有利可选实施例，依赖操作者提供的使用说明和/或物体初步成像过程，选择所述物体的所述空间部分的数量和/或扩展。例如，可以选择更多更小的空间部分来覆盖具有相关特征的物体的一部分，如：改变的组织，与物体的其余部分中空间部分的数量和/或扩展相比较。有利地，这样可以提高重建磁共振图像的质量。
[0035]
此外，操作者或控制设备可选择例如通过仅在k空间中采集每个第n行(例如每个第2或第4行)的磁共振信号来获得的加速度。同时，由操作者或控制设备选择所述物体的空间部分的数量和扩展，以便利用局部磁场调制引入的附加空间信息来补偿由于在k空间中省略行而引起的信息丢失。采集每个第n行的磁共振信号仅代表一个示例。通常，成像过程可以通过非整数因子来加速，并且不可以省略所有k空间行或几乎所有k空间行都可以省略。
[0036]
所述物体的所述空间部分的空间扩展可通过调制磁场的强度设定。特别地，可以根据磁共振成像的最佳加速性能来优化单个线圈的电流模式。
[0037]
有利地，本发明中磁共振信号局部特定的频率调制可以与传统的并行成像技术相结合。因此，根据本发明的另一优选实施例，所述获取所述磁共振信号的步骤包括利用具有空间限制灵敏度的多个磁共振线圈并行感测磁共振信号。
[0038]
优选地，通过数值优化程序将待获得的磁共振图像与采集到的磁共振信号进行匹配，可以实现图像重建。特别地，所述重建所述物体图像m的步骤包括通过正则化优化求解线性方程组s＝em，其中s包括测量的磁共振信号，e是由所述磁共振信号的空间编码确定并取决于调制磁场的时变调制分量的编码矩阵。编码矩阵的详情如下所述。
[0039]
根据本发明的另一有利实施例，在使所述物体经受至少一个射频脉冲和多个磁场梯度的步骤中，静磁场还可以与至少一个空间受限的时变磁性调制场叠加。磁性调制场可根据磁共振信号采集期间应用的磁性调制场进行设计。
附图说明
[0040]
下面参照附图描述本发明的其它优点和细节，在附图中：
[0041]
图1：根据本发明实施例的磁共振成像设备；
[0042]
图2：包括在根据本发明实施例的磁共振成像设备中的磁场调制源设备；
[0043]
图3：使用图2的磁场调制源设备产生的磁场特性概览；
[0044]
图4：在恒定的主磁场和变化的磁性调制场下获取的自由感应衰减图示；
[0045]
图5：变化的磁性调制场对空间编码的影响图示；及
[0046]
图6和7：本发明基于通过变化的磁性调制场来生成虚拟相移图像的概念图示。
[0047]
图8：单个线圈变化的磁性调制场对空间编码的影响图示；
[0048]
图9：8个线圈变化的磁性调制场对未加速空间编码的影响以及重建结果图示；
[0049]
图10：8个线圈变化的磁性调制场对两倍加速空间编码的影响以及重建结果图示；及
[0050]
图11：与根据本发明的调制相比，在没有应用局部特定的频率调制的情况下编码矩阵的奇异值谱图示。
具体实施方式
[0051]
以下将特别参考本发明通过至少一个空间受限的时变磁性调制场对磁共振信号进行局部特定的频率调制来描述本发明的实施例。本发明优选采用磁共振扫描仪来实现，因为其本身是已知的。因此，没有详细描述磁共振扫描仪及其可用的控制方案和可用的磁共振信号获取方案，因为这些是现有技术已知的。示例性参考本发明的应用，其中磁场调制
源设备包括局部磁场线圈布置。本发明不限于本实施例，但相应地，可通过单个局部磁场线圈和/或包括至少一个局部球面谐波匀场线圈的匀场设备来实现。特别地，单个局部磁场线圈或一个局部球面谐波匀场线圈，例如覆盖所研究物体的一半，足以为图像重建提供附加空间信息。
[0052]
磁共振成像设备和方法的实施例
[0053]
图1示意性地示出了包括磁共振扫描仪110、控制设备120和重建设备130的磁共振设备100的实施例，这些设备被配置用于实施本发明。磁共振扫描仪110包括主磁场设备111、磁梯度设备112、励磁/采集线圈设备113和磁场调制源设备114。此外，可以设置示意性示出的支撑设备116，例如支撑台，用于支撑要研究的物体1。组件111～113和116被配置为传统磁共振扫描仪已知的那样。例如，励磁/采集线圈设备113可以包括单个射频线圈或布置成用于并行磁共振成像的射频线圈阵列。
[0054]
磁场调制源设备114适用于产生优选小于130(例如10到30)的并且空间受限的时变磁性调制场，每个磁性调制场都覆盖该物体1的空间部分。磁场调制源设备114的磁场线圈115，例如，一组表面线圈回路元件，被设计成以便使得每个磁场充分覆盖要应用调制的物体的空间部分的扩展。优选地，磁场线圈115被布置在物体1的至少两个不同侧面上。下面参考图2和3描述磁场调制源设备114的示例。
[0055]
控制设备120包括主磁场和梯度控制单元121、射频脉冲控制单元122和调制源控制单元123，每个控制单元都包括驱动电路，例如励磁和调制电流源、放大器和/或脉冲调制器，以及至少一个计算机单元。组件121～123可以具有公共计算机单元或单独的计算机单元，与用于驱动该组件111～114的驱动电路耦合。特别地，调制源控制单元123与磁场调制源设备114连接，以对本发明的磁共振信号进行局部特定的频率调制。重建设备130包括与该励磁/采集线圈设备113耦合的信号获取设备131及计算设备132.可选地，该计算设备132可以例如通过直接连接或任何其他类型的数据传输与调制源控制单元123耦合，以便可以在磁共振图像重建中引入关于应用于磁场调制源设备114的调制方式的信息。组件131和132可以具有公共计算机单元或单独的计算机单元。控制设备120和重建设备130的计算机单元适用于运行控制组件111～114的设置的软件，以分别进行磁共振信号的采集和处理及磁共振图像的重建。
[0056]
图2示出磁场调制源设备114的示例，该磁场调制源设备包括8个独立的局部磁场线圈115(示意图所示)，这些线圈在与z方向垂直的方向上以一个圆排的方式设置在中空圆柱形非导电载体(未示出)上。在本发明的优选应用中，将要研究的物体1
‑
例如，人类受试者的头部
‑
置于该布置内(参照下面提到的实验测试)。各局部磁场线圈115由例如25匝铜线制成，线圈直径为5cm到10cm。各线圈独立地连接到调制源控制单元123(参见图1)的单独可控调制电流源，该调制电流源可以在磁共振信号采集期间，例如：在读出flasfi序列或其他序列时，允许以预选和独立的不同时间模式驱动各线圈中的调制电流。
[0057]
图2的布置可以被修改，例如，通过设置两圆排垂直于围绕空心圆柱的z轴的局部磁场线圈115，如图3a所示。在本实施例中，磁场调制源设备114包括16个独立的局部磁场线圈115。
[0058]
本发明的空间编码依赖于向局部磁场线圈115注入振荡电流。例如，可以在每个线圈回路元件中使用正弦形式的调制，其中所有线圈元件的调制频率相同，但相位不同。该技
术允许在图像重建过程中使用由振荡电流引起的磁场变化的特征时空模式，以提高信噪比或加速采集。通过增加每次读出中获取的样本数量，可以获得求解潜在欠定的基础线性方程组所需的额外信息。
[0059]
更详细地，根据调制电流的波形，局部磁场线圈115诱导物体1中的局部和变化磁场，每个磁场线圈都具有与磁共振扫描仪的主磁场(z方向)平行的磁场分量。该局部磁场线圈115中的每一个都会产生具有振幅及根据毕奥
‑
萨伐尔定律进行局部和时间分布的局部磁场。局部磁场从原来均匀的主磁场向正或负方向偏移。如图3b所示的示例，示出了由恒定电流通过放置在图3a所示的圆柱体内的圆柱形体模物体中的线圈1～16产生的磁场特性(单位：hz)的概览。图3b可被视为物体1中时变的特定空间受限磁场特性的快照，沿着三个笛卡尔空间方向针对单个线圈进行说明。
[0060]
单个线圈生成的不同磁场特性用于局部空间编码。本发明的原理是在获取磁共振信号期间，将时变电流独立地施加到每个局部磁场线圈115。时间电流变化诱导局部变化磁场改变由励磁/采集线圈设备113感测的磁化强度局部拉莫尔频率。图4显示了在获取自由感应衰减期间向一个线圈元件115(1khz，1a)施加正弦电流的示例。在该示例中，该电流产生1khz局部变化磁场，从而生成自由感应衰减的局部限制振荡(衰减信号轴刻度：a.u.)。图4a的平滑曲线a显示在恒定磁场下获得的自由感应衰减，而不向局部磁场线圈115施加任何电流。
[0061]
图4b显示了在0hz附近具有峰值b的相应频谱。通过局部线圈115施加1khz的变化磁性调制场，将振荡叠加到自由感应衰减上(图4a中的曲线c)。这在图4b所示的相应频谱中产生1khz的分离旁瓣d，从而为磁共振信号的重建提供附加空间图像信息。
[0062]
优选地，在采集磁共振信号期间，不同频率和/或相位的电流分别施加到每个线圈。基于这些由磁性调制场引入的局部不同的调制，可以通过数学重建的方法对采集到的磁共振信号的空间源点进行定位。利用这些附加空间图像信息，加速磁共振成像过程。
[0063]
数学重建程序可包括与图4b中所示的旁瓣相关联的局部图像的重建和局部图像的随后叠加。或者，重建可包括如下所述的数值优化。
[0064]
通过数值优化进行图像重建
[0065]
在下文中，给出了图像获取模型，优选用于图像重建。在这个示例中，重建采用这样的假设，即，使用具有复值灵敏度曲线b1(r)的励磁/采集线圈设备113的单个接收线圈元件来执行磁共振信号采集。如果使用多个接收线圈元件执行磁共振信号采集，则按如下所述进行重建扩展。在不损失通用性的情况下，本示例模型忽略了弛豫效应，并考虑了空间编码项。
[0066]
在时间t获取并提供频谱s的信号s可以通过对励磁量的积分获得。
[0067][0068]
式中，
[0069]
指数项的相位由两部分组成。k(r,t)描述用于执行频率和相位编码的空间线性梯度(g：线性梯度向量，r：空间向量，τ：时间，t：信号采集的时间点)。最后，第二项
对应于经受任意波形f
c
的局部磁场线圈115所感应的场。z方向上线圈元件c的b0场分布用表示b
c
表示，m(r)为待重建的物体图像。此外，t1表示调制开始的时间。利用第二项，为空间编码的磁共振信号提供附加空间图像信息。通常，可以应用其他的时间变化模式。
[0070]
图10和图11中所示的重建结果是通过离散连续模型并假设正弦波形得到的。在2d获取协议中，k
x
，k
y
分别为读出方向和相位编码方向上获取的k空间行数，n
x
,n
y
分别为读出/相位编码方向上空间域中的像素数，得到复值谱根据该复值谱s，将在空间域中重建复值图像通过数值优化程序重建图像m。利用本发明的成像方法所采用的图像获取过程可以用离散线性算子来描述。因此，通过线性方程s＝em得出获取过程。如果注入局部磁场线圈的电流为零，则编码矩阵为正交傅立叶变换矩阵e＝f。为了便于索引，编码矩阵可以变形为通过将电流注入局部磁场线圈和本发明的编码，编码矩阵e的元素通过以下公式给出：
[0071][0072]
式中，i,j为读出和相位编码方向上获取的k空间行指数。指数l,m为空间坐标。f
i,j,l,m
为傅里叶变换矩阵的元素，为线圈c的局部磁场在z方向上的b0场分布，ω为本发明的局部调制频率，a
c
为电流振幅，θ
c
为调制的相位偏移，且τ
i
为时间向量。
[0073]
假设没有非共振场分量且b0＝0。如果注入的电流a
c
非零，则为了重建图像m，通过计算编码矩阵e的伪逆解或通过数值优化求解线性方程组s＝em。这里，e是上述线性算子，该算子是指数编码项的总计并在空间域上执行求和(积分)。
[0074]
在几何因子(g因子)接近1的磁共振信号采集中，计算编码矩阵e的伪逆解并将其应用于测量的k空间，可以进行简单的一次性重建。否则，在g因子大于1的情况下，系统的反演可能不稳定，会产生噪声。在这种情况下，可以采用修改的最小绝对值收敛和选择算子(lasso)优化。对vanilla最小绝对值收敛和选择算子进行了修改，使得在正则化项中使用总变化(空间域中x/y体素差异的l1范数)而不是普通的l1范数(如常用的最小绝对值收敛和选择算子)。总变化损失对本发明编码的残余伪影产生了很高的惩罚，这些伪影表现为模糊和读出方向模糊的图像内容。解决了以下正则化优化问题：
[0075][0076]
正则化系数λ设置了在重建中惩罚高频伪影的总变化项的权重。利用矩阵d，在空间域中计算重建图像m的有限像素差分。优化循环中计算密集的部分是使用编码矩阵e进行重复乘法，可以预先计算并存储在内存中，也可以在线生成。在后一种情况下，可以在gpu上有效地执行该操作，因为其依赖于计算大量受空间位置影响的独立复值加权系数。
[0077]
将该模型扩展成加速获取的情况很简单，涉及到减少矩阵e中受k空间欠采样模式影响的行数。
[0078]
模拟结果
[0079]
图5(a、b、c
‑
刻度轴：像素数)说明了振荡调制电流对空间编码的影响。为了重建模拟数据，采用c＝16线圈回路，调制频率为17khz，电流振幅为10a。图5a显示了要成像的模拟物体。在模拟中，假设在直流分量周围每隔2条k空间行和另外保持4条中心k空间行来加速获取。每个线圈回路中正弦形式的相位等于其中c是线圈回路指数。图5b显示了在不考虑本发明调制的附加场项的情况下用傅里叶逆变换重建的图像。图5c显示了本发明中通过求解上述线性方程组获得的物体图像重建过程。图5d显示了编码矩阵e的奇异值谱。
[0080]
如果采用了励磁/采集线圈设备113的多个接收元件v，则将模型扩展成：
[0081][0082]
重建问题仍然是用s＝em方程的解来表示的，其中s和e现在都有来自各自接收线圈元件的附加排。
[0083]
图像形成和重建可交替地用图6和图7中所示的通过变化磁性调制场产生虚拟相移图像的概念来描述(刻度轴：像素数)。每个局部磁场线圈115在该物体的受限空间部分
‑
例如，在物体1的被局部磁场线圈115的磁场穿透的16个部分中
‑
调制磁共振信号(参见图2)。因此，在该物体的每个空间部分中，局部采集特定的磁共振信号。磁共振信号通过局部调制频率在频率空间相对于未调制磁共振信号的射频范围进行偏移，如图4b所示。不同空间部分的磁共振信号提供了振幅相等但相位不同的虚拟磁共振图像。因此，该物体的一组或多组虚拟图像由局部调频磁场产生。基于图6a中所示的模拟物体，获得如图6b和图7中所示的那些虚拟图像。在图像重建步骤中，虚拟图像及其空间源点信息被用作附加局部信息。
[0084]
实验测试结果
[0085]
图8～图11显示了在全身9.4t磁共振扫描仪上对装满硅油的圆柱形体模进行实际实验的结果。实验装置采用了八个局部磁场线圈来进行本发明的磁场调制。如图2所示，8个局部线圈被布置成一排圆形线圈。对于磁共振信号的激励和接收，使用贴片天线(参见图1中的励磁/采集线圈设备113)，放置在离体模约10cm的地方。将油体模放置在更大的中空圆柱内，里面装有八个局部磁场线圈。
[0086]
在第一个测试步骤中，未向八个局部线圈施加电流。使用梯度回波序列对油体模的一个切片进行成像，如图8a所示(参考)。接下来，仅对一个局部磁场线圈(一个单信道)施加2a(零峰值),1khz的交流电，并分别对每个局部磁场线圈重复施加该电流。
[0087]
在梯度回波序列中，仅在每个k空间行采集的读出期间施加交流电。图8b到8l(信道1到8)显示了产生的局部图像失真和调制。除了k空间数据的普通傅立叶变换外，未采用重建算法。
[0088]
接下来，在梯度回波序列的每个读出周期内，向所有信道施加2a，5khz的交流电，且所有信道之间的相移为45
°
。图9a(参考)显示了未施加电流的参考图像。图9b显示了仅对k空间数据应用普通傅立叶变换时产生的图像调制。图9c显示了利用所述方法通过对相应的线性成像方程进行反演而重建的物体图像。以前测量过单个磁场线圈产生的局部磁场的空间分布，并将其用于建立线性成像方程中的矩阵e。该示例表明，使用所述方法可进行完整的重建。然而，在这个示例中，局部磁场调制未被用来加速成像过程。
[0089]
图10显示了一个示例，在这个示例中，局部磁场调制已用于加速图像采集和两倍欠采样。图10a(参考)表示参考图像。在图10b中，在梯度回波序列的每个读出周期内，再次向所有通道施加2a，5khz的交流电流，且所有信道之间的相移为45
°
。与图9b相比，在图10b中，仅每隔一个k空间行进行一次采集，因此图像采集时间缩短了两倍。图10c显示了利用所述方法通过对相应的线性成像方程进行反演而重建的物体图像，但与图9相比，仅使用采样的k空间行的一半。该示例证明了本发明的基本加速优势。
[0090]
图11显示了用于图10中实验测试的成像编码矩阵e的奇异值示例，其中在相对于使用5khz、2a下的8个线圈进行调制，而没有使用局部特定的频率调制的情况下，在相位编码方向进行两倍欠采样)。图11a是交流电流的应用。如果交流电流未应用于磁场线圈(图11b)，奇异值的上半部分为零，矩阵秩亏，因此不可能对两倍k空间欠采样进行重建。
[0091]
在上述描述、附图和权利要求中公开的本发明的特征对于在其各种实施例中实现本发明既可以是单独的，也可以是组合或子组合。